渭河下游河槽过洪能力数值计算推求方法探讨

2011-01-23梁林江石长伟

陕西水利 2011年3期

◎梁林江石长伟

渭河“03”、“05”洪水后，渭河下游河道条件发生了较大的变化，主槽和滩地冲淤变化很大，河槽过洪能力普遍增大。而且随着防汛抢险行政首长负责制的实施和落实，越来越多非专业人士直接参与到防汛抢险工作中。因此，探索数值分析计算推求渭河下游各河段河槽过洪能力，提供使用方便、技术可靠的方法，对防汛抢险工作有着重要的意义。

1 渭河下游水文站近年来河槽过洪能力分析

由于渭河下游咸阳～泾河口段心滩发育、河道分汊，有多股水流，泾河口以下河段曲流十分发育，系典型的自由曲流，主槽宽度比较一致，平水期河宽约300m～500m，曲流摆幅约为河宽的7～10倍，一般2000m～5000m不等[1]。因此，本文仅对渭河下游泾河口以下主槽单一的临潼、华县河段进行分析论证。

1.1 各水文站2003年～2005年滩面高程变化

根据渭河下游2003年～2005年实测汛前汛后大断面确定临潼、华县站滩面高程。2003年秋汛洪水过程全河段滩面淤积抬升，咸阳、临潼、华县站滩面分别抬升 0.50m、0.20m、0.30m；2004年洪水未漫滩；而2005年洪水过程中由于洪水含沙量低，尽管全面漫滩，但滩面没有明显淤高。

1.2 渭河下游水文站水位～流量关系确定

由于2004年渭河下游临潼、华县站最大流量仅为 1240m3/s、1050m3/s，所以不确定2004年临潼、华县站水位～流量关系。2003年、2005年各站水位流量关系分析表明，2003年各水文站汛后水位～流量关系一般较汛前平行下移，表明汛期河槽均有一定程度的的冲刷下降；渭河下游1000m3/s、2000m3/s、3000m3/s临潼水文站的水位汛后较汛前分别下降 0.65m、0.50m、0.35m，华县水文站水位汛后较汛前分别下降1.7m、1.45m、0.95m。可见，“03”洪水中华县河段冲刷最为剧烈，而临潼河段冲刷相对较少，呈现“下冲多、上冲少”的特点。2003年汛后临潼、华县水文站河道主槽断面面积较汛前分别增大41m2、443m2，这一变化趋势变化充分显示了这一特点。

2005年临潼、华县站水位流量关系变化不大，但变化趋势仍为冲刷降低。2005年汛后临潼、华县水文站河道主槽断面面积较汛前分别增大99m2、208m2，主槽断面面积变化都略有增大充分表明了“05”洪水过程河道主槽是冲刷的[2]。

1.3 各站主槽过洪能力确定

根据历年临潼、华县水文站滩面高程，以及拟定的各站水位～流量关系分析确定各站河槽过洪能力，2003年汛后临潼、华县河槽过洪能力分别比汛前增大600m3/s、1220m3/s。2005年汛前临潼站比2003年汛后增大50m3/s，华县站主槽近洪能力增大30m3/s，变化较小。

2 典型断面河槽水力因子变化

从渭河下游各河段过洪能力及河道特性，以及支流汇入情况考虑，可以把渭河下游泾河口以下部分划分为两个河段：高陵～临潼河段和临渭～华县（或称渭南以下）河段。

各河段选择滩槽明显，具有代表性的典型断面进行分析。经分析比较，高陵～临潼河段以临潼站、渭淤17为典型断面，渭南以下河段以华县站、渭淤3为典型断面。分析表明：2003年汛后各断面面积普遍增大 41m2～1288m2，最大渭拦7增大 1288m2，其次为渭淤 17、华县站，临潼站增加较小，仅为41m2。河槽展宽17m～191m，渭拦 7水面宽增加最多为191m，其次为华县站。平均水深最大为渭淤3断面2.82m。河相系数变小，说明河槽展宽刷深。2004年汛前与2003年汛后相比，河槽面积略有减小，河槽宽度有增有减，但变化不大。2004年汛后与汛前相比，河槽面积有增有减，河槽宽基本未变。2005年汛前与2004年汛后相比，华县站河槽面积减小 492m2，渭淤 3、17断面有所增加，临潼站变化不大，华县站河槽宽减小11m。

3 典型断面水力因素与过洪能力关系

3.1 公式的推求

为了方便防汛人员的使用，本次拟用率定公式法直接推求典型断面的过洪能力。公式推导如下：

其中：A断面过水面积；V为断面平均流速；R为断面水力半径；J为河段主槽平槽时水面比降；n为河段主槽糙率。

对河道河型和主槽形态大体一致的较短河段来说，其主槽糙率n值的变化很小，而主槽水面比降J对于一段较短河长来说变化也很小。即对河型一致、主槽形态大体一致的较短河段的主槽来说J1/2/n接近于一个无量纲常数K。因此，为了数值计算推求主槽过洪能力，对于河型、主槽形态和河床组成基本一致的较短河段的主槽过洪能力可由下式求得：

其中常系数K可由各水文站实测流量进行率定，C为修正常数。

3.2 不同河段常系数K的率定

根据临潼、华县水文站2003～2005年实测流量成果，取各站水位接近平槽时的实测流量成果，点绘临潼、华县站流量Q与AR2/3关系进行K值率定（见图1，2）。从图中看出，临潼、华县站实测流量与过水面积和平均水深（AR2/3）的相关关系很好，相关系数分别为R临=0.86、R华=0.81；这充分说明前述分析中把J1/2/n概化为一个常数，在理论上是合理的，在实践上正确可行的。

由图1，2可以确定临潼站K临=0.5774、C临=665.71，华县站 K华=0.4787、C华=557.45，临潼、华县河段平槽时主槽的过洪能力可分别用下式计算：

其中：Q临、Q华分别为临潼、华县断面主槽过洪能力；其余符号意义同前。

3.3 临潼、华县河段过洪能力的验证

由上述公式对2000年～2005年临潼华县的过洪能力进行计算，求得该河段的主槽过洪能力，并与常规水位～流量关系图解法求得的主槽过洪能力进行比较。比较结果表明，一般情况下两者相差小于15%，可以用来初步快速估算河段主槽的过洪能力。

3.4 各典型断面过洪能力的推求

各典型断面过洪能力依据上述公式推求，临潼河段其它断面用临潼断面公式⑶计算，华县河段其它断面用华县断面公式⑷计算，计算成果见表1。可以看出，同一河段由于受河湾和测量断面与河道轴线交角的影响，相似河段不同断面主槽过洪能力有一定变化，这是与水位～流量关系图解法不同的。水位～流量关系图解法由于做图时参考了上下游断面，推求的同一河段不同断面主槽过洪能力基本相同，不能客观反映不同断面之间区别，但本次公式法显示的差异，正是考虑和反映了断面不同特点，克服了图解法的不足。